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La modellizzazione matematica del corpo umano

Alcuni ingegneri applicano i modelli al calcolatore per testare nuovi modelli di ali per aerei o motori. I ricercatori finanziati dall’UE hanno utilizzato tali modelli per studiare il tratto respiratorio umano e il sistema vascolare.
La modellizzazione matematica del corpo umano
I metodi computazionali sono sempre più utilizzati per ricostruire sistemi biologici complessi, convertendo i dati medici segmentati dei vasi e delle vie aeree in robusti modelli pronti alla simulazione. Questi modelli matematici promettono l’acquisizione di preziose informazioni mediante l’approccio ai problemi in un modo diverso.

Tuttavia, per modellizzare la fisiologia umana in modo preciso, sono necessarie simulazioni multi-scala. Recentemente, i ricercatori finanziati dall’UE hanno sviluppato modelli integrati che consentono la simulazione di problemi di flusso dei fluidi utilizzando una vasta gamma di risorse, dai cluster al supercalcolo.

Nell’ambito del progetto MATCOMPHYS (Mathematical models and high performance computing for deposition and absorption in physiological flows), finanziato dall’UE, i ricercatori hanno sviluppato strumenti numerici per simulare la microcircolazione del sangue e il flusso dell’aria inspirata attraverso le vie respiratorie fino al raggiungimento dei polmoni.

In particolare, i ricercatori hanno costruito un modello 3D delle vie aeree respiratorie basato su dati reali di scansione medica. Utilizzando questo modello ampio e dettagliato, le simulazioni su larga scala sono state eseguite su due dei più grandi supercomputer presenti in Europa, il FERMI in Italia e il MareNostrum in Spagna.

Grazie all’alta risoluzione del modello, sono stati svelati intricati dettagli del flusso di aria inspirata nelle vie aeree superiori e inferiori. Il flusso nel passaggio nasale risulta essere ridotto. Quando l’aria arrivava alla gola, ha raggiunto una velocità più elevata e il flusso ha presentato una turbolenza.

Le simulazioni numeriche sono state effettuate anche allo scopo di studiare il flusso sanguigno attraverso la complessa rete di ramificazione di vasi con lunghezza di pochi micrometri attraverso i quali nutrienti, ossigeno e cellule giungono in tutto il corpo. I risultati hanno rivelato l’intricato movimento delle cellule del sangue nel momento in cui si scontrano, influenzando il processo di trasporto.

L’applicazione in medicina della dinamica dei fluidi – o di qualsiasi altra disciplina ingegneristica – è un trend relativamente recente. La ricerca del team del progetto MATCOMPHYS, all’interfaccia tra ingegneria, biologia e medicina, dimostra l’importanza del lavoro interdisciplinare. L’ingegneria ha da offrire molto di più riguardo alla comprensione del funzionamento del corpo umano.

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Keywords

Corpo umano, tratto respiratorio, modelli matematici, MATCOMPHYS, microcircolazione